Opublikowano: 25.IV.1972 65331 KI. 421,4/13 MKP GOln 21/34 CZyiELNlA Wspóltwórcy wynalazku: Jan Koszelski, Jerzy Kelner Wlasciciel patentu: Glówny Instytut Górnictwa, Katowice (Polska) Sposób pomiaru zawartosci dwutlenku wegla lub innych wieloatomowych gazów w powietrzu kopalnianym i w róznych gazach oraz czujnik do stosowania tego sposobu i 2 Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru za¬ wartosci dwutlenku wegla lub innych wieloatomo¬ wych gazów w powietrzu kopalnianym i w róznych gazach oraz czujnik do stosowania tego sposobu.Wynalazek ma zastosowanie glównie w kopal¬ niach dla wykrywania i okreslania w nich procen¬ towej zawartosci dwutlenku wegla w powietrzu.Znane sa aparaty do laboratoryjnej analizy ga¬ zów wieloatomowych pracujace na zasadzie absorp¬ cji charakterystycznego pasma promieni podczer¬ wonych, które dzialaja nastepujaco. Promiennik wysyla promienie podczerwone, które przenikaja przez badany gaz i dostaja sie do komory pomia¬ rowej. Zawarty w komorze wzorcowy gaz absor¬ buje charakterystyczne pasmo promieni podczer¬ wonych, a efekt cieplny absorpcji jest wykorzy¬ stywany do pomiaru procentowego stezenia anali¬ zowanego gazu.Znany sposób analizy gazów za pomoca absorpcji promieni podczerwonych polega na umieszczeniu w komorze pomiarowej membranowego kondensa¬ tora i obrotowej tarczy z otworami. Tarcze obraca silnik elektryczny, a jej otwory okresowo przepu¬ szczaja promienie podczerwone, które równiez cy¬ klicznie sa absorbowane w komorze pomiarowej przez wzorcowy gaz. Efekt cieplny absorpcji po¬ woduje wzrost temperatury i z kolei wzrost obje¬ tosci gazu zawartego w komorze pomiarowej, w na¬ stepstwie czego zmniejsza sie odleglosc - miedzy 30 okladkami kondensatora i zwieksza jego pojemnosc elektryczna, co jest miara stezenia analizowanego gazu.Inny znany sposób analizy gazów za pomoca absorpcji promieni podczerwonych polega na umie¬ szczeniu w komorze pomiarowej bardzo cienkich platynowych drutów oporowych i poczernieniu we¬ wnetrznych scian komory. Wzrost temperatury wzorcowego gazu zawartego w komorze zmienia jednoczesnie opór elektryczny platynowych drutów podlaczonych do mostka Wheatstone'a, wywolujac w zaleznosci od stezenia analizowanego gazu odpo¬ wiedni sygnal elektryczny przekazywany po wzmoc¬ nieniu na miernik. Promiennik wysyla promienie podczerwone, które biegna w przyblizeniu równo¬ legle do komory pomiarowej.Wymienione sposoby wraz z urzadzeniami maja szereg wad. Na przyklad zastosowany kondensator wykonany jest z bardzo cienkich i napietych folii, które latwo ulegaja uszkodzeniom. Wykonanie sa¬ mego kondensatora jest bardzo trudne. Ponadto urzadzenie z kondensatorem wymaga elektrycznego silnika do napedu tarczy obrotowej, co komplikuje jeszcze bardziej jego konstrukcje przy zastosowa¬ niu do pracy w warunkach kopalnianych. Czulosc pomiaru przyrzadu wynosi 0,1% objetosci dwutlen¬ ku wegla. Objetosc komory pomiarowej wynosi okolo 30 cm3.W sposobie w którym stosowane sa cienkie pla¬ tynowe druty oporowe, wymagany jest duzy prze- 653313 65331 4 krój poprzeczny komory pomiarowej do rozpiecia odpowiedniej dlugosci tych drutów, co zwieksza po¬ wierzchnie napromieniowywana i moc promienni¬ ków. Zawieszenie bardzo cienkich drutów wrazli¬ wych na wstrzasy i zerwanie jest trudne w wyko¬ naniu. Ponadto druty zawiesza sie tylko w pierw¬ szych warstwach absorbujacych promienie podczer¬ wone, co jest powodem, ze tylko czesc energii cha¬ rakterystycznego pasma jest wykorzystywana.W zwiazku z tym potrzebna jest duza moc pro¬ miennika, która z kolei utrudnia zastosowanie urza¬ dzenia do pracy w kopalniach gazowych ze wzgle¬ du na mozliwosc spowodowania wybuchu..Celem wynalazku jest opracowanie sposobu po¬ miaru dwutlenku wegla lub innych wieloatomo- wych gazów w powietrzu, który z jednej strony bylby prosty w wykonaniu, zapewnial ciagle jego dzialanie i bylby ekonomiczny pod wzgledem zuzy¬ cia energii, a z drugiej strony móglby byc zastoso¬ wany w kopalniach zapewniajac bezpieczenstwo pracy i wczesne wykrywanie zagrozen pozarowych przez ciagle podawanie wyników pomiaru do dy¬ spozytorni.Cel ten osiagnieto dzieki zastosowaniu sposobu wedlug wynalazku. Sposób polega na tym, ze pro¬ mienie podczerwone przepuszcza sie przez badany gaz wiazkami o róznych kierunkach i nastepnie poddaje sie je skupieniu w komorze pomiarowej oraz jednorazowemu lub wielokrotnemu odbiciu od scianek tej komory tak, aby w malej przestrzeni pomiarowej komory uzyskac prawie calkowity efekt cieplny absorpcji. Efekt cieplny absorpcji w komo¬ rze pomiarowej jest przeksztalcony na sygnal elek¬ tryczny za pomoca termistora i przesylany przewo- dowo do ukladu pomiarowego.Sppsób wedlug wynalazku jest zrealizowany za pomoca czujnika, który sklada sie z dwóch komór, pomiarowej i porównawczej a w *ich ogniskach umieszczone sa pozlacane dwa termistory, pomiaro¬ wy i porównawczy. Powierzchnie wewnetrzne ko¬ mór sa zwierciadlami o ksztalcie zblizonym do kuli.Komora pomiarowa wypelniona jest dwutlenkiem wegla lub innym wieloatomowym gazem. Zamknie¬ cia komór stanowia cienkie plytki przepuszczajace promienie podczerwone.Komory polaczone sa ze zbiornikami, przeplywo¬ wym i stalym, a powierzchnie wewnetrzne zbiorni¬ ków sa zwierciadlami elipsoidalnymi. Przez zbior¬ nik przeplywowy przeplywa badany gaz, natomiast w zbiorniku stalym znajduje sie gaz obojetny.Zbiorniki lacza sie z promiennikami, przy czym plytki przepuszczajace promienie, podczerwone sa jednoczesnie zamknieciami zbiorników i promienni¬ ków. Powierzchnie promienników sa zwierciadlami elipsoidalnymi i stanowia przedluzenie krzywizny zbiorników. We wnetrzu promienników w ogniskach elipsoid umieszczone sa elektryczne grzejniki.Czujnik jest prosty w konstrukcji, a jego termi- stor bedacy elementem pelniacym funkcje prze¬ ksztalcania efektu cieplnego na sygnal elektryczny jest latwo wymienny i posiada dodatkowa zalete latwego wzmacniania sygnalu do poziomu umozli¬ wiajacego przekazywanie wyników na odleglosc.Objetosc komory pomiarowej jest stosunkowo bar¬ dzo mala i wynosi okolo 1 cm3. Ekonomiczne wy¬ korzystanie mocy grzejników pozwala przy zmniej¬ szeniu ich mocy zwiekszyc efekt pomiarowy i w nastepstwie zmniejszyc ilosc stopni wzmacniacza, przez co mniejsza jest ilosc pracujacych elementów 5 i wieksza niezawodnosc pracy urzadzenia, co jest duza zaleta czujników pracujacych w kopalniach.Ponadto zmniejszenie mocy grzejników umozliwia zastosowanie czujnika w kopalniach i zmniejsza prawdopodobienstwo spowodowania wybuchu w ko¬ palniach gazowych. Czulosc pomiaru jest bardzo wysoka i wynosi 0,03—0,05% objetosci dwutlenku wegla, co pozwala na wczesniejsze wykrywanie za¬ grozen pozarowych w kopalniach.Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przy^- kladzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy analizatora z czujni¬ kiem, wspólpracujacego ze znanymi podzespolami, a fig. 2 — przekrój podluzny czujnika.Analizator, którego uklad przedstawia fig. 1, skla¬ da sie z czujnika 1, polaczonego od strony wlotu powietrza z filtrem 2, a od strony wylotu powietrza poprzez fótametr 3 z pompa 4 oraz z mostkiem Wheatstone'a 5 i zasilaczem 6. Na fig. 2 uwidocz¬ niono przekrój podluzny czujnika 1, który sklada sie z dwóch komór, pomiarowej 7 i porównawczej 8. Powierzchnie wewnetrzne komór 7 i 8 sa kuli¬ stymi zwierciadlami 9 i sa zamkniete plytkami 10 przepuszczajacymi promienie podczerwone. Pomia¬ rowa komora 7 wypelniona jest dwutlenkiem wegla lub innym wieloatomowym gazem, natomiast po¬ równawcza komora 8 wypelniona jest azotem.Wewnatrz komór 7 i 8 sa umieszczone pozlacane termistory, pomiarowy 11 i kompensacyjny 12, pod¬ laczone do mostka Wheatstone'a 5. Komory 7 i 8 polaczone sa ze zbiornikami, przeplywowym 13 i stalym 14. Do komory przeplywowego zbiornika 13 wchodzi badany gaz wlotowym króccem 15 i wy¬ chodzi króccem wylotowym 16. Staly zbiornik 14 jest wypelniony azotem. Powierzchnie wewnetrzne zbiorników 13 i 14 sa elipsoidalnymi zwierciadla¬ mi 17. Przeplywowe komory zbiorników 13 i 14 sa zamkniete plytkami 18, przepuszczajacymi promie¬ nie podczerwone, przy czym plytki 18 zamykaja promienniki 19. Powierzchnie wewnetrzne promien¬ ników 19 sa elipsoidalnymi zwierciadlami 20 i sta¬ nowia przedluzenie krzywizn zwierciadel 17 zbior¬ ników 13 i 14. W ogniskach elipsoid wewnatrz pro¬ mienników 19 umieszczone sa elektryczne grzej¬ niki 21.Opisany analizator dziala w sposób nastepujacy.Po uruchomieniu pompy 4 zasysany gaz przeplywa przez filtr 2 i wplywa do komory przeplywowej zbiornika 13 czujnika 1. Po wyjsciu króccem 16 faz nastepnie wyplywa do rotametru 3, skad za pomo¬ ca pompki 4 jest wydalany na zewnatrz analiza¬ tora. Równoczesnie grzejniki 21 emituja promienie podczerwone poprzez plytke 18 do komory zbior¬ nika 13 przez który ciagle przeplywa badany gaz.Promienie te w postaci wiazek 22 i 23 przenikaja róznymi kierunkami przez przeplywajacy badany gaz do pomiarowej komory 7 tak, ze ulegaja w tej komorze skupieniu w czesci srodkowej w postaci ogniska, a nastepnie wielokrotnemu odbiciu o jej wewnetrzne scianki majace postac kulistego zwier¬ ciadla. W ten sposób w pomiarowej komorze 7 na- 15 20 25 30 35 40 45 50 55 605 65331 6 stepuje absorpcja charakterystycznego pasma tych promieni dla danego gazu, przy czym dzieki takie¬ mu przebiegowi promieni zwieksza sie ich droga w pomiarowej komorze, pozwalajaca na uzyskanie prawie calkowitej absorpcji, co jest istotna cecha i zarazem zaleta wynalazku. Efekt cieplny absorp¬ cji podwyzsza temperature dwutlenku wegla lub innego wieloatomowego gazu, zawartego w pomia¬ rowej komorze 7, jak równiez termistora 11 umie¬ szczonego wewnatrz komory 7. Termistory, pomia¬ rowy 11 i kompensacyjny 12 sa wlaczone w przy¬ legle ramiona mostka Wheatstone'a 5, którego rów¬ nowage ustala sie przy przeplywie gazu pozbawio¬ nego dwutlenku wegla przez przeplywowy zbior¬ nik 13.W przypadku obecnosci dwutlenku wegla w ba¬ danym gazie nastepuje absorpcja promieni pod¬ czerwonych w przeplywowym zbiorniku 13, co ob¬ niza temperature w pomiarowej komorze 7 i po¬ woduje równoczesnie zmiane opornosci pomiarowe¬ go termistora 11 oraz zachwianie równowagi mo¬ stka Wheatstone'a 5. Powstaje wtedy sygnal elek¬ tryczny w przekatnej mostka Wheatstone'a 5, funkcjonalny do stezenia dwutlenku wegla w ga¬ zie. Sygnal ten przy pomocy znanych metod prze¬ twarzany jest na informacje o procentowej zawar¬ tosci dwutlenku wegla w badanym gazie. PLPublished: April 25, 1972 65331 KI. 421.4 / 13 MKP GOln 21/34 Inventors of the invention: Jan Koszelski, Jerzy Kelner Patent owner: Central Mining Institute, Katowice (Poland) The method of measuring the content of carbon dioxide or other polyatomic gases in the mine air and in various gases and a sensor for using it The subject of the invention is a method of measuring the content of carbon dioxide or other polyatomic gases in mine air and various gases, and a sensor for using this method. The invention is mainly applicable in mines for the detection and determination of their percentage of carbon dioxide in the air. There are known apparatuses for the laboratory analysis of polyatomic gases which work on the principle of absorption of a characteristic band of infrared rays, which work as follows. The radiator emits infrared rays which pass through the tested gas and enter the measuring chamber. The standard gas contained in the chamber absorbs the characteristic band of infrared rays, and the thermal effect of the absorption is used to measure the percentage concentration of the analyzed gas. A known method of gas analysis by absorption of infrared rays consists in placing a membrane condensate in the measurement chamber. track and rotating disc with holes. The dials are rotated by an electric motor and its openings periodically pass infrared rays which are also cyclically absorbed in the measuring chamber by the standard gas. The thermal effect of absorption causes an increase in temperature and, in turn, an increase in the volume of gas contained in the measuring chamber, as a result of which the distance between the capacitor covers decreases and its electric capacity increases, which is a measure of the concentration of the analyzed gas. of gases by absorption of infrared rays consists in placing very thin platinum resistance wires in the measuring chamber and blackening the inner walls of the chamber. The increase in temperature of the reference gas contained in the chamber changes the electric resistance of the platinum wires connected to the Wheatstone bridge, causing, depending on the concentration of the analyzed gas, an appropriate electrical signal transmitted to the meter after amplification. The radiator sends infrared rays, which run approximately parallel to the measuring chamber. These methods together with devices have a number of disadvantages. For example, the capacitor used is made of very thin and stretched foils that are easily damaged. The manufacture of the capacitor itself is very difficult. Moreover, a device with a capacitor requires an electric motor to drive the rotating disc, which complicates its design even more when used in mining conditions. The measuring sensitivity of the instrument is 0.1% by volume of carbon dioxide. The volume of the measuring chamber is about 30 cm3. In a method in which thin platinum resistance wires are used, a large cross-section of the measuring chamber is required to span the appropriate length of these wires, which increases the irradiated area and radiant power. cows. Suspending very thin sensitive wires to shocks and breaks is difficult to produce. Moreover, the wires are suspended only in the first infrared-absorbing layers, which is the reason that only a part of the energy of the characteristic strand is used. Therefore, a large radiator power is required, which in turn makes it difficult to use the device. The aim of the invention is to develop a method for measuring carbon dioxide or other polyatomic gases in the air, which on the one hand would be simple to perform, would ensure its continuous operation and would be economical in terms of energy consumption, and on the other hand, it could be used in mines, ensuring safe operation and early detection of fire hazards by continuously reporting the measurement results to the control room. This aim was achieved by applying the method according to the invention. The method consists in passing the infrared rays through the tested gas in bundles of different directions and then concentrating them in the measuring chamber and reflecting them once or repeatedly from the walls of this chamber, so that in a small measuring space of the chamber, almost the entire thermal effect is obtained. absorption. The thermal effect of absorption in the measuring chamber is converted into an electrical signal by means of a thermistor and transmitted by wire to the measuring system. The method according to the invention is realized by means of a sensor which consists of two chambers, measuring and comparative, and their foci there are two gold-plated thermistors, a measuring and comparator. The internal surfaces of the cells are spherical-shaped mirrors. The measuring chamber is filled with carbon dioxide or other polyatomic gas. The closures of the chambers are thin plates transmitting infrared rays. The chambers are connected with the flow and fixed tanks, and the internal surfaces of the tanks are ellipsoidal mirrors. The test gas flows through the flow-through tank, while in the fixed tank there is an inert gas. The tanks are connected to the radiators, with the plates transmitting infrared rays being at the same time the closures of the tanks and the lamps. The surfaces of the radiators are ellipsoidal mirrors and extend the curvature of the tanks. Inside the radiators, in the foci of the ellipsoids, electric heaters are placed. The sensor is simple in construction, and its thermistor, which is an element that performs the function of converting the thermal effect into an electric signal, is easily replaceable and has the additional advantage of easy amplification of the signal to the level enabling transmission distance results. The volume of the measuring chamber is relatively very small, about 1 cm3. Economical use of the power of the heaters allows, while reducing their power, to increase the measurement effect and, consequently, reduce the number of amplifier stages, which reduces the number of working elements 5 and increases the reliability of the device, which is a great advantage of sensors working in mines. enables the sensor to be used in mines and reduces the likelihood of an explosion in gas mines. The sensitivity of the measurement is very high and amounts to 0.03-0.05% of the carbon dioxide volume, which allows for earlier detection of fire hazards in mines. The subject of the invention is presented in the example of the embodiment in the drawing, in which Fig. 1 shows a block diagram of an analyzer with a sensor, cooperating with known components, and Fig. 2 - a longitudinal section of the sensor. The analyzer, the layout of which is shown in Fig. 1, consists of a sensor 1 connected at the air inlet side with a filter 2, and the side of the air outlet through the flow meter 3 with the pump 4 and the Wheatstone bridge 5 and the feeder 6. Figure 2 shows a longitudinal section of the sensor 1, which consists of two chambers, measuring 7 and comparative 8. Internal surfaces of chambers 7 and 8 are spherical mirrors 9 and are closed by lamellas 10 transmitting infrared rays. Measurement chamber 7 is filled with carbon dioxide or other polyatomic gas, while the equivalent chamber 8 is filled with nitrogen. Inside chambers 7 and 8 are placed gold-plated thermistors, measuring 11 and compensating 12, connected to Wheatstone bridge 5. The chambers 7 and 8 are connected to the flow tank 13 and the fixed tank 14. The test gas enters the flow chamber of the tank 13 through an inlet pipe 15 and exits through an outlet pipe 16. The fixed tank 14 is filled with nitrogen. The inner surfaces of the tanks 13 and 14 are ellipsoidal mirrors 17. The flow chambers of the tanks 13 and 14 are closed by plates 18, transmitting the infrared rays, with the plates 18 closing the radiators 19. The inner surfaces of the radiators 19 are ellipsoidal mirrors 20 and the mirrors 20. This extends the curvature of the mirrors 17 of the tanks 13 and 14. In the focal points of the ellipsoids inside the radiators 19 there are electric heaters 21. The analyzer described works as follows: After starting the pump 4, the suction gas flows through the filter 2 and flows into the chamber from the flow tank 13 of sensor 1. After exiting through the nozzle 16, the phases then flow into the rotameter 3, from which it is discharged outside the analyzer by means of a pump 4. At the same time, the heaters 21 emit infrared rays through the plate 18 into the tank chamber 13 through which the test gas continues to flow. These rays in the form of bundles 22 and 23 penetrate in different directions through the flowing test gas into the measuring chamber 7, so that they are concentrated in this chamber in the central part in the form of a focus, and then multiple reflections against its inner walls in the form of a spherical mirror. In this way, in the measuring chamber 7, the absorption of the characteristic band of these rays for a given gas takes place, and due to such a course of the rays their path in the measuring chamber is increased, allowing for obtaining almost complete absorption, which is an important feature and advantage of the invention. The thermal effect of absorption increases the temperature of the carbon dioxide or other polyatomic gas contained in measuring chamber 7, as well as thermistor 11 located inside chamber 7. Thermistors, measurement 11 and compensation 12 are incorporated in the adjacent arms of the bridge. Wheatstone 5, the equilibrium of which is established by the flow of carbon dioxide-free gas through the flow tank 13. In the presence of carbon dioxide in the test gas, red rays are absorbed in the flow tank 13, which is the lower temperature in the measuring chamber 7 and causes the simultaneous change of the measuring resistance of the thermistor 11 and the imbalance of the Wheatstone bridge 5. An electrical signal is then produced in the diagonal of the Wheatstone bridge 5, functional for the concentration of carbon dioxide in carbon dioxide. May. By means of known methods, this signal is converted into information on the percentage content of carbon dioxide in the tested gas. PL